JP2006276390A - Optical coupler - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば、光のパワーを結合して増強する光結合器に関する。 The present invention relates to an optical coupler that combines and enhances the power of light, for example.
光通信、医療産業機器、民生機器の分野においては、光のパワーを結合して増強する光結合器が広く利用されている。 In the fields of optical communication, medical industrial equipment, and consumer equipment, optical couplers that combine and enhance the power of light are widely used.
光結合器としては、例えば、特許文献1に、基板の表面に任意数のチャネル型光導波路とスラブ導波路を設けたものが開示されている。
特許文献1には、光結合器において、複数のチャネル型光導波路とマルチモード光ファイバとをスラブ型導波路により結合し、マルチモード光ファイバの導波路幅を、結合されるチャネル型導波路の数に合わせて増大する、ことが記載されている。
In
しかしながら、特許文献1の光結合器では、結合するチャネル数が多くなるにつれて、マルチモード光ファイバの幅が極度に大きくなる問題がある。さらに、入力側と同程度のコア径のファイバを出力側に用いると、導波路とファイバとの間の結合効率が悪化して、損失が大きくなる問題がある。
However, the optical coupler of
本発明の目的は、光のパワーを結合して増強する光結合器において結合損失を低減することである。 An object of the present invention is to reduce coupling loss in an optical coupler that combines and enhances the power of light.
この発明は、上記問題点に基づきなされたもので、基材と、この基材上に形成されたコア領域と、このコア領域に対して所定の屈折率差を与えるクラッド領域と、
を有し、前記コア領域は複数の入射導波路と、この複数の入射導波路とを結合する結合部と、この結合部に接続された前記入射導波路よりも少ない数の出射導波路からなり、前記入射導波路の幅の総和が前記出射導波路の幅の総和よりも大きい光結合器において、前記出射導波路側のクラッドの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のクラッドの屈折率より小さいことを特徴とする光結合器、を提供するものである。
The present invention has been made based on the above problems, a base material, a core region formed on the base material, a cladding region that gives a predetermined refractive index difference to the core region,
The core region includes a plurality of incident waveguides, a coupling portion that couples the plurality of incident waveguides, and a smaller number of outgoing waveguides than the incident waveguides connected to the coupling portion. In the optical coupler in which the total sum of the widths of the incident waveguides is larger than the total sum of the widths of the output waveguides, the refractive index of a part or all of the cladding on the output waveguide side is An optical coupler characterized by having a refractive index smaller than that is provided.
この発明によれば、光結合側すなわち出射側導波路での「光の閉じ込め作用」が強められることから、結合損失が低減される。また、出射側導波路コアの幅を必要以上に確保する必要もなくなり、光結合器の大きさも低減される。 According to the present invention, since the “light confinement action” on the optical coupling side, that is, the output side waveguide is strengthened, the coupling loss is reduced. Further, it is not necessary to secure the width of the output side waveguide core more than necessary, and the size of the optical coupler is also reduced.
また、この発明は、上記問題点に基づきなされたもので、基材と、この基材上に形成されたコア領域と、このコア領域に対して所定の屈折率差を与えるクラッド領域と、を有し、前記コア領域は複数の入射導波路と、この複数の入射導波路とを結合する結合部と、この結合部に接続された前記入射導波路よりも少ない数の出射導波路からなり、前記入射導波路の幅の総和が前記出射導波路の幅の総和よりも大きい光結合器において、前記出射導波路側のコアの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のコアの屈折率より大きいことを特徴とする光結合器、を提供するものである。 Further, the present invention has been made based on the above problems, and includes a base material, a core region formed on the base material, and a cladding region that gives a predetermined refractive index difference to the core region. The core region comprises a plurality of incident waveguides, a coupling portion for coupling the plurality of incident waveguides, and a smaller number of output waveguides than the incident waveguides connected to the coupling portion; In the optical coupler in which the total sum of the widths of the incident waveguides is larger than the total sum of the widths of the output waveguides, the refractive index of a part or all of the cores on the output waveguide side is the refractive index of the cores of the input side waveguides. An optical coupler characterized by being larger than the rate is provided.
この発明によれば、光結合側すなわち出射側導波路での「光の閉じ込め作用」が強められることから、結合損失が低減される。また、出射側導波路コアの幅を必要以上に確保する必要もなくなり、光結合器の大きさも低減される。 According to the present invention, since the “light confinement action” on the optical coupling side, that is, the output side waveguide is strengthened, the coupling loss is reduced. Further, it is not necessary to secure the width of the output side waveguide core more than necessary, and the size of the optical coupler is also reduced.
さらに、この発明は、上記問題点に基づきなされたもので、基材と、この基材上に形成されたコア領域と、このコア領域に対して所定の屈折率差を与えるクラッド領域と、を有し、前記コア領域は複数の入射導波路と、この複数の入射導波路とを結合する結合部と、この結合部に接続された前記入射導波路よりも少ない数の出射導波路からなり、前記入射導波路の幅の総和が前記出射導波路の幅の総和よりも大きい光結合器において、前記出射導波路側のクラッドの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のクラッドの屈折率より小さく、前記出射導波路側のコアの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のコアの屈折率より大きいことを特徴とする光結合器、を提供するものである。 Furthermore, the present invention has been made on the basis of the above problems, and includes a base material, a core region formed on the base material, and a cladding region that gives a predetermined refractive index difference to the core region. The core region comprises a plurality of incident waveguides, a coupling portion for coupling the plurality of incident waveguides, and a smaller number of output waveguides than the incident waveguides connected to the coupling portion; In the optical coupler in which the total sum of the widths of the incident waveguides is larger than the total sum of the widths of the output waveguides, the refractive index of a part or all of the cladding on the output waveguide side is refracted by the clads of the incident side waveguides. The optical coupler is characterized in that the refractive index of a part or all of the core on the exit waveguide side is smaller than the refractive index, and is larger than the refractive index of the core of the incident side waveguide.
この発明によれば、光結合側すなわち出射側導波路での「光の閉じ込め作用」が強められることから、結合損失が低減される。また、出射側導波路コアの幅を必要以上に確保する必要もなくなり、光結合器の大きさも低減される。 According to the present invention, since the “light confinement action” on the optical coupling side, that is, the output side waveguide is strengthened, the coupling loss is reduced. Further, it is not necessary to secure the width of the output side waveguide core more than necessary, and the size of the optical coupler is also reduced.
本発明の光結合器によれば、結合損失が低減される。 According to the optical coupler of the present invention, the coupling loss is reduced.
しかも出力側に接続される光ファイバの幅が極度に大きくなることが防止される。 In addition, the width of the optical fiber connected to the output side is prevented from becoming extremely large.
従って、光結合器の大きさが低減される。 Therefore, the size of the optical coupler is reduced.
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、この発明の実施の形態が適用される光結合器の一例を示す。 FIG. 1 shows an example of an optical coupler to which an embodiment of the present invention is applied.
図1に示すように、光結合器1は、例えばSi(シリコン)もしくはSi02(酸化シリコン)等を主成分とする基板10と、基板10上に、所定形状にパターニングされて形成された光導波路構造20と、を有する。なお、図1に示した例では、基板10上に光導波路構造20が直接設けられるが、基板10の上面に、アンダークラッドと呼ばれる均一な屈折率の層が形成されてもよい。
As shown in FIG. 1, an
光導波路構造20の周囲は、光導波路構造20をコアとして利用可能とするためのクラッド層30として機能する部材により覆われている。なお、アンダークラッド層が設けられる場合には、識別のため、クラッド層30は、上部クラッドと呼称される。
The periphery of the
光導波路構造20のうちの入射側には、複数の入射側導波路コア21−1〜21−nが設けられている。また、光導波路構造20のうちの出射側には、単一の出射側導波路コア22が形成されている。なお、入射側導波路コア21−1〜21−nと出射側導波路コア22は、基板10上(またはアンダークラッド上)の所定位置に規定される光結合部23により相互に、光学的に、結合されている。
A plurality of incident side waveguide cores 21-1 to 21-n are provided on the incident side of the
クラッド層30は、光導波路構造20の光結合部23の近傍の点線で示す領域Cを境界として、境界Cよりも入射側導波路コア21−1〜21−n側を覆う入射側クラッド31と、光結合部23を境界として、境界Cよりも出射側導波路コア22側を覆う出射側クラッド32からなる。なお、クラッド層30を入射側クラッド31と出射側クラッド32とに区分する境界Cの位置は、光結合部23に対して必ずしも高い精度で一致される必要はなく、特に入射側導波路コア21(1〜n)の側へずれることは、十分に許容される。
The cladding layer 30 includes an incident-
クラッド層30のうち、出射側導波路クラッド32は、入射側導波路クラッド31に比較して、屈折率nが低く規定されている。すなわち、入射側導波路クラッド31の屈折率をn31、出射側導波路クラッド32の屈折率をn32とすれば、
n31 > n32
である。
Of the clad layer 30, the output-
n 31 > n 32
It is.
なお、入射側導波路コア21−1〜21−nおよび出射側導波路コア22の屈折率nが等しいとすれば、出射側導波路コア22の屈折率をn22と示すとき、
n22 > n32
である。
If the refractive index n of the incident-side waveguide cores 21-1 to 21-n and the outgoing-
n 22 > n 32
It is.
すなわち、出射側導波路クラッド32の屈折率n32は、出射側導波路コア22の屈折率n22および入射側導波路クラッド31の屈折率をn31のそれぞれよりも低ければよい。
That is, the refractive index n 32 of the outgoing
従って、出射側導波路クラッド32の材質を、例えば空気(屈折率nAIR≒1)とすることも可能である。この場合、出射側導波路クラッド32が不要となる。なお、クラッドとしては、下部クラッド(図1の例では、基材10)も存在するが、図7により後段に説明する通り、上述したコアとクラッドの屈折率の関係は、出射側のクラッドの全部、または一部の屈折率が、入射側のクラッドの屈折率よりも低ければよい。
Therefore, the material of the output
より詳細には、
入射側コア21−1〜21−nのそれぞれの屈折率をnA1 ,
入射側下部クラッド(基材10)の屈折率をnA2 ,
入射側上部クラッド31の屈折率をnA3 ,
出射側コア22の屈折率をnB1 ,
出射側下部クラッド(基材10)の屈折率をnB2 ,
出射側上部クラッド32の屈折率をnB3 ,
とするとき、
[実施例1]
nA2 ,nA3 ≧nB2 ≧nB3 ,但し、nA2 ,nA3 >nB3
である。
More specifically,
Respective refractive indexes of the incident-side cores 21-1 to 21-n are expressed as n A1 ,
The refractive index of the lower clad on the incident side (base material 10) is n A2 ,
The refractive index of the incident side
The refractive index of the
The refractive index of the output side lower cladding (base material 10) is expressed as n B2 ,
The refractive index of the output side
And when
[Example 1]
n A2 , n A3 ≧ n B2 ≧ n B3 , provided that n A2 , n A3 > n B3
It is.
すなわち、
nB1 =nA1 =1.461,nA2 =nA3 =nB2 =1.45,nB3=1
とすることで、出射側導波路の屈折率をn≒1(空気)とすることができる。
That is,
n B1 = n A1 = 1.461, n A2 = n A3 = n B2 = 1.45, n B3 = 1
Thus, the refractive index of the exit side waveguide can be set to n≈1 (air).
このように、コアとクラッドの屈折率の関係は、例えば出射側のクラッドの一部または全部の屈折率が入射側のクラッドの屈折率よりも低ければよい。 As described above, the relationship between the refractive indexes of the core and the clad may be such that, for example, a part or all of the refractive index of the clad on the output side is lower than the refractive index of the clad on the incident side.
この構造によれば、光結合側すなわち出射側導波路での「光の閉じ込め作用」が強められることから、出射側導波路コアの幅を必要以上に確保することなく、結合損失が低減される。また、出射側導波路クラッドを空気とすることができ、製造も容易である。 According to this structure, since the “light confinement action” on the optical coupling side, that is, the output side waveguide is strengthened, the coupling loss is reduced without securing the width of the output side waveguide core more than necessary. . In addition, the emission-side waveguide cladding can be made of air, which is easy to manufacture.
このことは、同時に/または、出射側のコアの屈折率を、入射側のコアの屈折率よりも大きくすることによっても達成される。すなわち、光結合側すなわち出射側導波路での「光の閉じ込め作用」が強められることから、出射側導波路コアの幅を必要以上に確保することなく、結合損失が低減される。 This can also be achieved simultaneously / or by making the refractive index of the exit-side core greater than the refractive index of the entrance-side core. That is, since the “light confinement action” at the optical coupling side, that is, the output side waveguide is strengthened, the coupling loss is reduced without securing the width of the output side waveguide core more than necessary.
例えば、
[実施例2]
nB1 >nA1
である。
For example,
[Example 2]
n B1 > n A1
It is.
すなわち、
nB1 =2,nA1 =1.461,nA2 =nA3 =nB2 =nB3 =1.45
とすることで、結合損失は、図7に示す通り、[実施例1]の1/2程度に低減される。
That is,
n B1 = 2, n A1 = 1.461, n A2 = n A3 = n B2 = n B3 = 1.45
Thus, the coupling loss is reduced to about ½ of [Example 1] as shown in FIG.
また、[実施例1]と[実施例2]を組み合わせることで、
[実施例3]
nA2 ,nA3 ≧nB2 ≧nB3 ,但し、nA2 ,nA3 >nB3 ,かつnB1 >nA1
において、例えば
nB1 =2,nA1 =1.461,nA2 =nA3 =nB2 =1.45,nB3 =1
とすることで、結合損失は、図7に示すように、[実施例2]に比較して、さらに10%程度、低減される。
Also, by combining [Example 1] and [Example 2],
[Example 3]
n A2 , n A3 ≧ n B2 ≧ n B3 , provided that n A2 , n A3 > n B3 , and n B1 > n A1
For example,
n B1 = 2, n A1 = 1.461, n A2 = n A3 = n B2 = 1.45, n B3 = 1
By doing so, the coupling loss is further reduced by about 10% as compared with [Example 2] as shown in FIG.
このように、[実施例1]〜[実施例3]を適用することで、図1〜図3に示す光結合器1において、入射側導波路コア21−1〜21−nのそれぞれの高さをh、それぞれの幅をW21−1〜W21−n、出射側導波路コア22の幅をW22とすると、例えばhが6μm、W21−1〜W21−nが5本で100μmであっても、W22は100μmで済む。
Thus, by applying [Example 1] to [Example 3], in the
なお、出射側導波路22の幅W22は、入射側導波路コア21−1〜21−nの幅の平均をWAとすると、これまでは、チャネル数×WA程度必要であったが、概ねWA〜(n×WA)/2程度で十分である。
The width W 22 of the
また、この構成は、入射導波路に入力される光のモード(強度分布)や重ね合わせられている状態にかかわらず、入力可能な総ての光に適用可能である。なお、入力される光は、例えば光ファイバにより案内されてもよいし、例えばレーザ装置から直接入射されることも可能である。 Further, this configuration can be applied to all light that can be input regardless of the mode (intensity distribution) of light input to the incident waveguide and the superimposed state. The input light may be guided by an optical fiber, for example, or may be directly incident from a laser device, for example.
図4は、図1に示した光結合器1を平面方向から見た状態を示す。また、図5および図6は、それぞれ、図4の光結合器1をD−Dに沿って切断した状態を示す。
FIG. 4 shows a state in which the
図5および図6から明らかなように、光導波路構造20のうちの入射側導波路コア21−1〜21−nと出射側導波路22とが接続される光結合部23においては、両コアの切断面21a,22aが、コアが延びる方向(基材10の平面方向)と直交する線分に対して所定の角度、例えば8度傾けられている(テーパが形成されている)。なお、切断面が傾けられる方向は、出射側導波路側(図5)であっても入射側導波路側(図6)であってもかまわない。
As apparent from FIGS. 5 and 6, in the
図5および図6に示すように、光結合部23において、入射側導波路コアおよび出射側導波路コアのそれぞれの切断面にテーパが形成されることにより、光導波路構造20内の反射減衰量が低減されることが知られている。なお、図5および図6に示す入射側導波路コアおよび出射側導波路コアのそれぞれの切断面のテーパは、図1〜図3に示した屈折率の組み合わせと同時に実施されることで、[実施例2]および[実施例3]に示した結合損失の低減に、さらに効果が期待できる。
As shown in FIG. 5 and FIG. 6, in the
以下、図1ないし図6に示した光結合器1を製造する方法を、簡単に説明する。
Hereinafter, a method of manufacturing the
図1(または図4)において、例えばSi(シリコン)またはSiO2(酸化シリコン)からなる基材10に、図示しないが所定厚さのバッファ層を形成し、バッファ層に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)により、入射側導波路コア21−1〜21−n、出射側導波路コア22および光結合部23相当部に用いられる第1の屈折率を有する部材を、所定厚さに堆積する(気相成長させる)。
In FIG. 1 (or FIG. 4), a buffer layer having a predetermined thickness (not shown) is formed on a
続いて、それぞれの導波路のコア領域に対応される領域以外の領域に堆積された第1の屈折材を、例えばエッチングにより除去する。 Subsequently, the first refractive material deposited in a region other than the region corresponding to the core region of each waveguide is removed by, for example, etching.
次に、境界C(光結合部23の所定位置)から出射側導波路コア22側を、図示しないが所定形状のマスクにより遮蔽し、残りの領域に、前に形成されたコア領域(入射側導波路)と密着されることで、コア領域との間に所定の屈折率差を提供可能な第1のクラッド(入射側導波路クラッド)領域に対応される第2の屈折率を有する部材を、例えばCVDにより、所定厚さに堆積する。
Next, the output-
この状態で、[実施例1]の光結合器1が得られる。
In this state, the
一方、境界C(光結合部23の所定位置)から入射側導波路コア21−1〜21−nに相当する部分もしくは出射側導波路コア22に相当する部分のいずれか一方の側を、図示しないが所定形状のマスクにより遮蔽し、残りの領域に、前に形成されたコア領域の屈折率を(残りの領域に比較して)変化させるために、例えばGe(ゲルマニウム)を、所定濃度にドープする。なお、屈折率を高めるために、例えばP(リン)、Ti(チタン)、あるいはAl(アルミニウム)もしくはTi02(酸化チタン)等が利用可能である。
On the other hand, from the boundary C (predetermined position of the optical coupling portion 23), either one of the portion corresponding to the incident-side waveguide cores 21-1 to 21-n or the portion corresponding to the emission-
Geのドープ量を制御することにより、例えば入射側導波路コアの屈折率n21を、n21=1.466に、容易に設定できる。なお、基材10の屈折率n10は、例えばn10=1.450程度であり、出射側導波路側コアをn=2.0とすれば、[実施例2]に示したような入射側導波路コア21−1〜21−nの屈折率n21が出射側導波路コア22の屈折率n22よりも小さい光導波路構造20(光結合器1)が得られる。
By controlling the Ge doping amount, for example, the refractive index n 21 of the incident-side waveguide core can be easily set to n 21 = 1.466. The refractive index n 10 of the
これらの工程を組み合わせることで、[実施例3]の光結合器1が得られることは言うまでもない。
It goes without saying that the
また、出射側導波路クラッド32の屈折率を、例えばB(ホウ素)や、F(フッ素)をドープすることで、入射側導波路クラッド31の屈折率よりも低下させることもできる。 Moreover, the refractive index of the output side waveguide clad 32 can also be made lower than the refractive index of the incident side waveguide clad 31 by doping B (boron) or F (fluorine), for example.
なお、この発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々な変形もしくは変更が可能である。また、個々の実施の形態は、可能な限り適宜組み合わせて実施されてもよく、その場合、組み合わせによる効果が得られる。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the invention at the stage of implementation. Further, the individual embodiments may be appropriately combined as much as possible, and in that case, the effect of the combination can be obtained.
1…光結合器、10…基板、20…光導波路構造、21−1〜21−n…入射側導波路コア、21a…テーパ、22…出射側導波路コア、22a…テーパ、23…光結合部、30…クラッド層、31…入射側導波路クラッド、32…出射側導波路クラッド、C…(光結合部の屈折率の)境界。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
この基材上に形成されたコア領域と、
このコア領域に対して所定の屈折率差を与えるクラッド領域と、
を有し、前記コア領域は複数の入射導波路と、この複数の入射導波路とを結合する結合部と、この結合部に接続された前記入射導波路よりも少ない数の出射導波路からなり、前記入射導波路の幅の総和が前記出射導波路の幅の総和よりも大きい光結合器において、
前記出射導波路側のクラッドの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のクラッドの屈折率より小さいことを特徴とする光結合器。 A substrate;
A core region formed on the substrate;
A cladding region that gives a predetermined refractive index difference to the core region;
The core region includes a plurality of incident waveguides, a coupling portion that couples the plurality of incident waveguides, and a smaller number of outgoing waveguides than the incident waveguides connected to the coupling portion. In the optical coupler, the sum of the widths of the incident waveguides is larger than the sum of the widths of the output waveguides.
The optical coupler according to claim 1, wherein a refractive index of a part or all of the clad on the output waveguide side is smaller than a refractive index of the clad on the incident side waveguide.
この基材上に形成されたコア領域と、
このコア領域に対して所定の屈折率差を与えるクラッド領域と、
を有し、前記コア領域は複数の入射導波路と、この複数の入射導波路とを結合する結合部と、この結合部に接続された前記入射導波路よりも少ない数の出射導波路からなり、前記入射導波路の幅の総和が前記出射導波路の幅の総和よりも大きい光結合器において、
前記出射導波路側のコアの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のコアの屈折率より大きいことを特徴とする光結合器。 A substrate;
A core region formed on the substrate;
A cladding region that gives a predetermined refractive index difference to the core region;
The core region includes a plurality of incident waveguides, a coupling portion that couples the plurality of incident waveguides, and a smaller number of outgoing waveguides than the incident waveguides connected to the coupling portion. In the optical coupler, the sum of the widths of the incident waveguides is larger than the sum of the widths of the output waveguides.
The optical coupler according to claim 1, wherein a refractive index of a part or all of the core on the output waveguide side is larger than a refractive index of the core of the incident side waveguide.
この基材上に形成されたコア領域と、
このコア領域に対して所定の屈折率差を与えるクラッド領域と、
を有し、前記コア領域は複数の入射導波路と、この複数の入射導波路とを結合する結合部と、この結合部に接続された前記入射導波路よりも少ない数の出射導波路からなり、前記入射導波路の幅の総和が前記出射導波路の幅の総和よりも大きい光結合器において、
前記出射導波路側のクラッドの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のクラッドの屈折率より小さく、前記出射導波路側のコアの一部または全部の屈折率が前記入射側導波路のコアの屈折率より大きいことを特徴とする光結合器。 A substrate;
A core region formed on the substrate;
A cladding region that gives a predetermined refractive index difference to the core region;
The core region includes a plurality of incident waveguides, a coupling portion that couples the plurality of incident waveguides, and a smaller number of outgoing waveguides than the incident waveguides connected to the coupling portion. In the optical coupler, the sum of the widths of the incident waveguides is larger than the sum of the widths of the output waveguides.
The refractive index of a part or all of the cladding on the output waveguide side is smaller than the refractive index of the cladding of the incident side waveguide, and the refractive index of a part or all of the core on the output waveguide side is the incident side waveguide. An optical coupler having a refractive index greater than that of the core.
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